變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

陳建明，李秦月

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

陳建明，李秦月

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450045）

針對能源緊缺、人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高的問題，提出技術(shù)上提前、通信控制方面穩(wěn)定性強、節(jié)省能量并且應用到各種工程中的這種可改變的頻率供水的系統(tǒng)方案提出是有必要的。此系統(tǒng)采用變頻恒壓控制，PLC控制系統(tǒng)的運行和設(shè)備安全保護。系統(tǒng)中有無水檢測裝置以保護水泵防空載運行；具有故障保護、定時切換等功能，以保證供水不間斷和水泵均衡使用；采用模擬量壓力檢測設(shè)備，使出水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定；部分采用變頻休眠方式，大大節(jié)約了電能。其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、運行可靠、性價比高、節(jié)能等優(yōu)勢。

變頻調(diào)速；PLC

我國近年來對于在居民住宅用水、大型農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)蓄水等方面上的提供水資源的技術(shù)設(shè)備相對較不好。我國傳統(tǒng)供水的壓力較多使用多次開關(guān)電機來控制，這樣的供水方式消耗較多的能量、影響了電網(wǎng)中的負荷、減少了設(shè)備的使用時間；本文設(shè)計的變頻調(diào)速壓力一定的運行方法穩(wěn)定性強、少啟動、可靠，減少了電氣及機械的沖擊，消除了水塔供水引起的二次污染[1]。此次可調(diào)頻[2]壓力恒定的供水系統(tǒng)集變頻調(diào)速技術(shù)、PLC與PID控制技術(shù)、壓力傳感技術(shù)等為一體，組成了完整封閉的自動控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

本文主要通過研究PLC來控制變頻器[3]用于實現(xiàn)恒壓供水。變頻器用的是西門子公司泵類系列專門使用的型號為MM440的變頻器，對于變頻器的使用首先針對PLC的工作原理了如指掌，再對軟件程序設(shè)計[4]和編程[5]步驟方法明確于心，這樣對整個系統(tǒng)的控制部分設(shè)計意義重大。控制部分的硬件設(shè)備用的是S7-200系列的PLC（CPU222），在控制運行中電控部分是由PLC（CPU222）[6]控制完成的，變頻器用于完成PID控制。這個供水系統(tǒng)讓出口處的水流量做可控目標，去實現(xiàn)出口官網(wǎng)的實際水的壓力與預先設(shè)定的供水壓力基本一致。這個預先設(shè)計的壓力在每個時間當中都是常數(shù)，因此它既是常數(shù)又是分段時間函數(shù)。特定的時間當中，控制出口處的水的壓力就是維持在預先設(shè)計的供水壓力上。這套供水系統(tǒng)在恒定的壓力下通過用戶管道上的壓力變送器實時檢測水壓并將它轉(zhuǎn)化為4～20毫安的電壓信號，檢測到的這個電壓信號是關(guān)鍵性數(shù)據(jù)用于實現(xiàn)供水系統(tǒng)的。因此個電壓信號為模擬量，需要經(jīng)過A/D模擬轉(zhuǎn)數(shù)字這個轉(zhuǎn)換部分，通過對比讀進來的值和固定的值將它們對比后的差值運算，這種通過PID運算后的數(shù)字信號再經(jīng)過D/A數(shù)字轉(zhuǎn)模擬部分去當成變頻的輸入部分，這個輸入信號用來控制輸出頻率，并且同時控制電機的轉(zhuǎn)速，來監(jiān)測水泵出口處的流量實現(xiàn)變頻恒壓供水。見圖1.

圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的流程

2.1 系統(tǒng)的主要部分

圖 2中 N、L1、L2、L3是主電路部分；FU 是這個電路上的熔斷器；QS1、QS2、QS3、QS4 是四個隔離開關(guān)，目的是將變頻器和M1、M2、M3三臺電機的主電路隔離開來的。KM1、KM2接觸器控制的是電機M1；KM3、KM4 控制的是電機 M2；KM5、KM6 控制的是電機M3；在三個電機上分別又帶了三個熱繼電器FR1、FR2、FR3，這個攜帶的目的是用于三臺水泵電機 M1、M2、M3 過載保護。

圖2也清楚的可以說明這個主要電路的三個水泵的運行過程：在這三個水泵中有且只有一個水泵做變速運行，其他兩個水泵以恒定的速度做工頻運行。當用戶需水量非常小的時候，這個系統(tǒng)會出現(xiàn)“倒泵”現(xiàn)象。即做改變速度運行的那個水泵持續(xù)工作3個小時就必須切換到下一臺水泵。這種倒泵現(xiàn)象可以減小危險事件的發(fā)生，并且消耗的能量較少，這樣才能在保證人身安全的情況下正常安全供水。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖

2.2 系統(tǒng)控制回路設(shè)計

圖3表示的是整個系統(tǒng)的控制回路部分，N、L1是電路部分，SA為轉(zhuǎn)換開關(guān)，它在1時為手動控制、在2時為自動控制這兩種方式，SA撥動到1時利用SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6 來控制三個水泵的關(guān)和開。SA撥動到2時，整個系統(tǒng)處于自動運行控制狀態(tài)，這種控制是由PLC程序控制的，我們可以從HL10指示燈的狀態(tài)觀察是否處于自動運行狀態(tài)。KA是對變頻器進行復位的元器件，Q0.0～Q0.5是PLC輸出繼電器的觸點，經(jīng)過這些觸點的動作分別與HL7、HL8、HL9相連接，在其連接的線上標了各種數(shù)字，這些數(shù)字是為了方便接線和檢查。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖

此系統(tǒng)設(shè)計在手動與自動兩種控制運行下的過程：

（1）手動控制運行：手動控制適用于檢查故障和維修使用。SA被置于 1時，SB1、SB2、SB3關(guān)閉，1KM1至KM3處于自鎖狀態(tài)，KM1到KM3控制下的電機運行。SB2、SB4、SB6、被按下去會切斷電路這樣阻止了KM中的電流通過這樣電機停止了運行。

（2）自動控制運行：當電源指示燈HL10處于亮著的狀態(tài)表示自動控制狀態(tài)。當SA在2位置時系統(tǒng)在自動控制模式，這時PLC程序控制的。Q0.0輸出1號水泵運行的信號，這時KM1斷開上流過電流，KM1、KM2互鎖，指示燈HL1燈被點亮。同上所述，Q0.1輸出1時，線圈KM2流過電流，指示燈HL2亮，KM2被斷開，KM2、KM1電氣互鎖。其他兩個水泵的控制情況和上面的一個水泵一樣。Q1.1輸出1時，表示水位上下限報警的指示燈HL7亮；Q1.2輸出1時，報警指示燈HL8在變頻器故障時點亮；Q1.3輸出1時，處于白天供水狀態(tài)的指示燈HL7亮；Q1.4輸出1時，電鈴HA響起處于報警狀態(tài)；Q1.5輸出1，KA中間繼電器上的線圈上通過電流，KA常開觸點關(guān)閉，這時變頻器的頻率將復位。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的可調(diào)節(jié)速度控制頻率的供水系統(tǒng)在壓力一定的情況下融合變頻調(diào)速技術(shù)、PLC與PID控制技術(shù)，壓力傳感技術(shù)等多種技術(shù)。實現(xiàn)了供水變頻無塔供水管網(wǎng)壓力恒定，以滿足用戶用水的需求。

[1]許 潔．淺談建筑給水系統(tǒng)的二次污染問題[J]。蘭州工業(yè)等專科學校通報.2002.

[2]王廷才．主編《變頻器原理及應用》.機械工業(yè)出版社.

[3]李建勛，歐容華．高壓變頻器在熱電廠鍋爐恒壓供水上的應用[J].變頻世界，2008.

[4]江秀漢，湯 楠．可編程序控制器原理與應用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.3.

[5]李振飛.基于梯形圖語言的PLC控制程序組態(tài)技術(shù)研究[J].華東科技：學術(shù)版，2013（7）：26-26.

[6]蔡行建，黃文鈺，李 娟．深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.7.

Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Design

CHEN Jian-ming，LI Qin-yue
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450045，China）

According to the energy shortage，people on the quality and reliability of water supply system of the continuous improvement of the problem，put forward technical advance，communication control stability，save energy and applied to various engineering in this system can change the frequency of water supply is necessary.This system adopts frequency conversion constant voltage control，operation of PLC control system and equipment safety protection.The system has absolute detection device to protect the pump air running；fault protection，timing switching and other functions，to ensure uninterrupted water supply and water balance；use of analog pressure testing equipment，with stable pressure water pipe network；part of the sleep mode frequency，greatly saves energy.The utility model has the advantages of simple structure，stable performance，reliable operation，high cost performance，energy saving and the like.

frequency control of motor speed；PLC

TP29

A

1672-545X（2017）08-0257-02

2017-05-01

陳建明（1964-），男，河南鄭州人，博士，教授，研究方向檢測技術(shù)與自動化裝置；李秦月（1992-），女，河南商丘人，碩士，研究生，研究方向檢測技術(shù)與自動化裝置。